Пластичность это способность материала – 3. Механические свойства строительных материалов.

Содержание

3. Механические свойства строительных материалов.

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил.

Механическими свойствами являются прочность. упругость, пластичность, хрупкость, сопротивление удару, твердость, истираемость. Кроме того, под воздействием внешних сил (нагрузок) материалы в зданиях и сооружениях могут испытывать и такие внутренние напряжения, как сжатие, растяжение, изгиб, срез и др. Напряжение измеряют в физических величинах.

Прочность материала характеризуется пределом прочности (при сжатии, изгибе, растяжении, срезе). Пределом прочности называют напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение образца материала.

Прочность строительных материалов обычно характеризуется маркой, значение которой соответствует величине предела прочности при сжатии, полученному при испытании образцов стандартных размеров. Предел прочности при сжатии строительных материалов колеблется в широких пределах — от 0,5 (тор- фоплиты) до 1000 МПа и выше (высокопрочная сталь).

Упругостью называют свойство материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после снятия нагрузки, под действием которой формы материала деформируются. В качестве примера упругих материалов можно назвать резину, сталь, древесину.

Пластичность — это способность материала под влиянием действующих усилий изменять свои формы и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившуюся форму и размеры после снятия нагрузки. Примером пластичных материалов служит глиняное тесто, разогретый асфальт.

Хрупкость — свойство материала мгновенно разрушаться под действием внешних сил при незначительных деформациях (например, стекло, керамика).

Сопротивление удару — способность материала сопротивляться ударным воздействиям.

Твердостью материала называют свойство сопротивляться прониканию ь него другого, более твердого материала. Из природных каменных материалов наименьшую твердость по десятибалльной шкале твердости минералов имеет тальк (1), наибольшую — алмаз (10).

Истираемостью называют способность материала уменьшаться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий.

Свойство строительных материалов сопротивляться истирающим и ударным нагрузкам необходимо учитывать при подборе материалов для дорожных покрытий, полов промышленных зданий, для ступеней, лестниц, бункеров.

Главными свойствами строительных материалов, по которым определяют возможность их применения в элементах здания, являются прочность, плотность, теплопроводность, влажность и водопроницаемость, морозостойкость, огнестойкость.

Прочность — мера сопротивления материала разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Конструкции здания испытывают определенные нагрузки, под действием которых они сжимаются, растягиваются или изгибаются.

Плотность — величина, измеряемая отношением массы вещества к единице его объема в естественном состоянии (кг/м3), т. е. с имеющимися в нем порами и пустотами. Чем плотнее материал, тем меньше в нем пустот и пор, тем больше его плотность. От плотности материала зависят вес конструкций, теплоизоляционные качества и прочность.

Теплопроводность — количества теплоты, проходящей через ограждение толщиной 1 м, площадью 1 м2 при постоянной разности температур наружного и внутреннего воздуха 1 °С. Чем меньше теплопроводность, тем лучше теплозащитные качества материала.

Теплопроводность материалов зависит от плотности и степени влажности. Материалы, имеющие меньшую плотность и влажность, обладают меньшей теплопроводностью.

Влажность — содержание влаги в материале. Влажность определяют в процентах от массы абсолютно сухого материала. Чем меньше влажность, тем меньше плотность и теплопроводность и выше прочность материала.

Водопроницаемость — величина, характеризуемая количеством воды, проходящей в течение 1 ч под постоянным давлением через 1 см2 испытуемого материала. Например, водопроницаемость стыков панелей наружных стен испытывают в особой камере на действие косого дождя при определенной силе ветра. Для кровельных материалов (например, толь, рубероид) водопроницаемость характеризуется временем, в течение которого вода под давлением проходит через материал и появляется с другой стороны образца.

Морозостойкость — способность материалов в насыщенном водой состоянии сопротивляться разрушению при многократном замораживании и оттаивании. Испытание материалов на морозостойкость производится в специальных камерах. Марки изделий по морозостойкости обозначают количесто выдерживаемых циклов замораживания и оттаивания в водонасыщен- ном состоянии.

Огнестойкость — способность материала выдерживать действие высокой температуры без потери прочности. Предел огнестойкости конструкций из различных материалов оценивается по времени (в ч), которое выдерживает конструкция до потери прочности или устойчивости. Материал, из которого выполнена конструкция, характеризуется по его способности воспламеняться, гореть или тлеть после удаления источника огня. Материалы, которые под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются, называются несгораемыми. Материалы, горение и тление которых прекращается после удаления источника огня, называются трудносгораемыми, а которые горят и тлеют после удаления источника огня — сгораемыми.

Твердость — способность материалов сопротивляться проникновению в них других материалов. Твердость — величина относительная, так как твердость одного материала оценивается по отношению к другому. Самый простой метод определения твердости — по шкале твердости. В эту шкалу входят 10 минералов, расположенных по возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кончая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу твердости минералами.

Обычно твердость определяют на специальных приборах. Так, для оценки твердости металлов и других твердых материалов применяют метод Бринелля, основанный на вдавливании под определенной нагрузкой в испытуемый образец шарика из закаленной стали. По диаметру отпечатка от шарика рассчитывают число твердости НВ.

Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости. Так, древесина, хотя по прочности при сжатии равна бетону, а при изгибе и растяжении превосходит его, имеет значительно меньшую, чем у бетона, твердость.

Износостойкость — способность материала противостоять воздействию на него сил трения и ударных воздействий от движущихся предметов. Определяют ее на специальных приборах, снабженных абразивными насадками и моделирующих реальный процесс изнашивания. Износостойкость—важное свойство материалов, используемых для покрытий полов, дорог и т. п.

studfiles.net

Механические свойства строительных материалов

Категория: Материалы для строительства

Механические свойства строительных материалов

Прежде чем переходить к изучению механических свойств материалов, необходимо ознакомиться с принятой в настоящее время р нашей стране для обозначения физических величин Международной системой единиц СИ.

В действовавшей до недавнего времени технической системе основными единицами измерения были: метр, килограмм-сила, секунда. В системе СИ основными единицами являются: метр, килограмм-масса, секунда.

Сопротивление удару — способность материала сопротивляться ударным воздействиям.

Истираемостью называют способность материала уменьшаться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий.

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних механических сил, вызывающих в нем сжатие, растяжение, изгиб, срез, кручение, истирание. Основные механические свойства строительных материалов: прочность, деформативность (упругость, пластичность), твердость, износостойкость.

Прочность свойство материала в определенных условиях и пределах воспринимать нагрузки или другие воздействия, вызывающие в нем внутренние напряжения, без разрушения.

Частицы, из которых состоит твердый материал, удерживаются в равновесии силами взаимного сцепления. Если к какому-либо образцу материала приложить внешнюю силу F, например растягивающую (рис. 1), то ее действие равномерно распределится на все частицы материала: материал окажется в напряженном состоянии. Напряжение вызовет изменение расстояний между частицами — материал начнет деформироваться (в нашем случае — растягиваться).

Рис. 1. Схема определения напряжений при растяжении

При увеличении действующей силы напряжения в материале возрастают и могут превысить силу сцепления частиц и материал разрушится.

На практике разрушение материала начинается значительно раньше того момента, когда напряжения в нем достигнут теоретического предельного значения. Это объясняется тем, что в реальных материалах много дефектов самого различного уровня (начиная от молекулярного и кончая макродефектами — например, трещинами). Напряжение, при котором происходит разрушение материала при испытании, называют пределом прочности.

В зависимости от характера приложения нагрузки F и вида возникающих напряжений различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании (срезе) (рис. 2).

Прочность определяют на образцах материала, форму и размеры которых устанавливает стандарт на этот материал. Так, для оценки прочности бетона приняты образ-цы-кубы размером 150 X 150 X 150 мм.

Предел прочности бетона при сжатии RclK обычно 10…50 МПа. Чтобы разрушить бетонный куб размером 150X150X150 мм с #СЖ=Ю МПа, надо приложить усилие F=RCKS= 10Х (0.15Х 0,15) = 0,225 МН. Поэтому для испытания материалов применяют специальные машины, снабженные механизмом для силового воздействия на образец и измерительными устройствами. Так, предел прочности при сжатии определяют с помощью гидравлических прессов, развивающих усилия до 106 И и более (рис. 4).

Рис. 2. Схема определения пределов прочности материалов на сжатие (а), растяжение (б), изгиб (в) и срез (г)

Аналогично определяют прочность при растяжении, изгибе, скалывании. Однако расчетные формулы при изгибе и скалывании имеют другой вид.

Прочность при сжатии, растяжении и изгибе у одного и того же материала может сильно различаться. У всех каменных материалов прочность при сжатии в 5… 15 раз выше, чем при изгибе и растяжении. У древесины, наоборот, прочность при изгибе немного выше прочности при сжатии. Интересно отметить, что прочность древесины при сжатии вдоль волокон близка к прочности бетона, а при изгибе она прочнее бетона более чем в 10 раз.

Рис. 3. Схема гидравлического пресса для испытания на сжатие: 1 — станина, 2 — поршень, 3, 5 — нижняя и верхняя опорные плиты, 4 — испытуемый образец. 6 — маховик для ручного подъема и опускания верхней плиты, 7 — манометр, 8 — масляный насос

Материалы, ведущие себя подобно резиновому шарику, т. е. восстанавливающие свою форму и размеры после снятия нагрузки, называются упругими. Материалы, ведущие себя подобно глине, т. е. сохраняющие деформации после снятия нагрузки, называются пластичными. Соответственно обратимые деформации называются упругими деформациями, а необратимые — пластическими.

К упругим материалам относятся природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным — битумы ( при положительных температурах), некоторые виды пластмасс, свинец, бетонные и растворные смеси до затвердевания.

Твердость — способность материалов сопротивляться проникновению в них других материалов. Твердость — величина относительная, так как твердость одного материала оценивается по отношению к другому. Самый простой метод определения твердости — по шкале твердости. В эту шкалу входят 10 минералов, расположенных по возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кончая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу твердости минералами.

Износостойкость — способность материала противостоять воздействию на него сил трения и ударных воздействий от движущихся предметов. Определяют ее на специальных приборах, снабженных абразивными насадками и моделирующих реальный процесс изнашивания. Износостойкость—важное свойство материалов, используемых для покрытий полов, дорог и т. п.

Материалы для строительства — Механические свойства строительных материалов

gardenweb.ru

Упругость, пластичность, хрупкость, сопротивление удару — Свойства материалов

Упругость — это способность материала изменять под действием нагрузки свою форму без признаков разрушения и восянавливать ее в большей или меньшей степени после удаления нагрузки. Восстановление формы, в зависимости от величины действующей силы, может быть полным или неполным.

Пример очень упругого материала — резина. Упругими являются и такие материалы, как сталь, дерево.

Пластичность — это способность материала под действием нагрузки изменять без признаков разрушения свою форму и полностью сохранять эту измененную форму после снятия нагрузки. Большинство строительных растворов отличается высокой пластичностью.

Противоположностью пластичных материалов являются материалы хрупкие. Эти материалы под действием прилагаемых к ним усилий разрушаются сразу, не обнаруживая сколько-нибудь значительных деформаций.

Хрупкие материалы плохо сопротивляются удару. Поэтому их нельзя использовать там, где могут быть ударные нагрузки. Примером хрупкого материала может служить стекло.

«Материаловедение для штукатуров,
плиточников, мозаичников»,
А.В.Александровский

Объемным весом называют вес единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. с порами и пустотами. Объемный вес принято обозначать буквой γоб. Чтобы найти объемный вес материала, надо разделить вес материала G на его объем V1, включая поры и пустоты: Для рыхлых материалов (песка, щебня, цемента) определяют насыпной объемный вес. Его принимают равным весу материала,…

Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого тела. У некоторых материалов существует определенная взаимозависимость между твердостью и прочностью. Приближенные способы проверки прочности бетона или металла в конструкций основаны на измерении их твердости. Шкала твердости минералов по Моосу N° по шкале (показатель твердости) Минерал 1 Тальк или мел 2 Каменная соль или…

Плотностью называют степень заполнения объема материала веществом, из которого он состоит. Значение плотности d0 можно определить «как отношение объема вещества материала в образце к полному объему образца: Это отношение можно заменить отношением объемного веса к удельному. Если обратимся к ранее приведенным формулам, то увидим, что: Подставив значения V и V1 и сделав соответствующее сокращение, получим:…

От твердости материала в значительной степени зависит его истираемость. Истираемость определяют по уменьшению веса образца, подвергаемого трению о другой материал. Истираемость определяют в лабораториях на специальных машинах — кругах истирания. Величину истираемости вычисляют по формуле: где: G1 — вес сухого образца до истирания; G2 — вес сухого образца после истирания; F — площадь истирания. Истираемость…

Пористость материала — это объем, занимаемый в нем порами. Значение пористости легко подсчитать по формуле коэффициента Р0, величина которого в сумме с величиной плотности дает единицу: Для рыхлых материалов при расчетах учитывается насыпной объемный вес. Пористость и плотность в значительной степени определяют эксплуатационные свойства материалов, а именно: прочность, водопоглощение, морозостойкость, теплопроводность. Значение пористости строительных материалов…

www.ktovdome.ru

2. Характеристики пластичности

Свойство материалов давать остаточные деформации называется пластичностью.

Пластичность  это положительное свойство материала. Она играет большую роль в обеспечении безопасности и надежности материалов конструкций. Чем длительнее развитие пластических деформаций, тем больше предел несущей способности (начало пластического деформирования) отдален от предела прочности (фактического разрушения материала).

Вследствии больших значений пластических деформаций, в десятки и сотни раз превышающих упругие, их развитие в перенапряженных элементах сложных конструктивных комплексов приводит к перераспределению и выравниванию усилий за счет догрузки менее напряженных элементов. Тем самым повышается работоспособность конструктивного комплекса в целом по сравнению с расчетными пределами.

Таким образом, работа материала в пластической стадии представляет огромный резерв прочности, благодаря которому конструкция, как правило, не разрушается в прямом смысле (нарушение целостности), а теряет несущую способность из-за больших остаточных деформаций.

Хрупкостью называется свойство материала, противоположное пластичности, т.е. склонность к разрушению при весьма малых остаточных деформациях.

Для оценки пластичности материала служат две характеристики: относительное остаточное удлинение и относительное остаточное сужение.

Относительное остаточное удлинение определяют по формуле:

, (1)

где l₁  длина разорванного образца.

Как мы уже отмечали, в месте образования шейки получается значительное удлинение образца, поэтому величина зависит от соотношения длиныl и диаметра образца. Для длинных образцов l=10d, для коротких  l=5d, соответственно .

Относительное остаточное удлинение можно определить по диаграмме растяжения (см. рис. 1.). С точки разрыва образца М проводят линию параллельную ОА до пересечения с осью абсцисс. Отрезок OM₁ представляет собой остаточную деформацию образца, т.e. , а отрезокM₁M₂  упругую деформацию в момент разрыва. Упругая деформация, как известно, исчезает со снятием нагрузки. Если образец разорван, то нагрузка исчезла. Упругая деформация изменяется по закону Гука, что на диаграмме изображается наклонной прямой ОА. Следовательно, для определения упругой деформации нужно провести линию параллельно ОА.

Относительное остаточное сужение определяют по формуле:

, (2)

где  площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.

Относительное остаточное сужение не зависит от длины образца.

Чем больше значения и, тем пластичнее материал. К числу весьма пластичных материалов относятся медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая сталь. Например, для стали Ст.=23-27%,=60-70%.

Менее пластичными являются дюраль и бронза, а слабопластичными материалами  большинство легированных сталей.

К хрупким материалам относятся чугун, камень, кирпич, бетон, стеклопластики и др. У них <5%, а у некоторых материалов составляет доли процента, например, у чугуна0,5%.

Деление материалов на пластичные и хрупкие носит условный характер, так как при некоторых условиях хрупкие материалы получают пластичные свойства (например, стекло при большом всестороннем сжатии приобретает свойства пластичного материала и разрушается как пластичный материал) и, наоборот, пластичные материалы приобретают хрупкие свойства (например, образец из пластичной слали при низкой температуре разрушается без образования шейки как хрупкий материал).

Поэтому правильнее говорить не о пластичных и хрупких материалах, а об их пластическом и хрупком разрушении.

studfiles.net

Механические свойства материалов

Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность — это способность материала сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил.

Твердость— это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы.

Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012)

Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.3.1 а)

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – , литой бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов – .

Продолжительность выдержки : для стали и чугуна – 10с, для латуни и бронзы – 30с.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:

Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / , НВ 5/ 250 /30 – 80.

Метод Роквелла ( ГОСТ 9013)

Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 3.1 б)

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” ( 1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой .

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости.

Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Метод Виккерса

Твердость определяется по величине отпечатка (рис.3.1 в).

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136^o.

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:

Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.

Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс

Метод царапания.

Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.

Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.

Динамический метод (по Шору)

Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.

Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

Является энергетической характеристикой материала, выражается в единицах работы Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами.

Также вязкость зависит от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).

Ударная вязкостьопределяется работой А, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечного сечения F; Дж/м²:

Испытания проводятся ударом специального маятникового копра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной надрезу.

Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки. Литейные свойства характеризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить ее очертания (жидкотекучестью), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии.

Ковкость — это способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением без разрушения.

Свариваемостьопределяется способностью материалов образовывать прочные сварные соединения.

Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов поддаваться обработке режущим инструментом.

2) Пластичность — это способность материала получать остаточное изменение формы и размера без разрушения. Пластичность характеризуется относительным удлинением  при разрыве, %:

 = (/_к — /₀) 100% / /_к ,

где /_к — длина образца после разрыва, мм; /₀ — первоначальная длина образца, мм (рис.19).

3)Твердость — это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, не получающего остаточных деформаций тела.

Рис. 23. Методы определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Виккерсу; в —по Роквеллу;

Значение твердости и ее размерность для одного и того же материала зависят от применяемого метода измерения. Значения твердости, определенные различными методами, пересчитывают по таблицам и эмпирическим формулам. Например, твердость по Бринеллю (НВ, МПа) (ГОСТ 9012-59) определяют из отношения нагрузки Р, приложенной к шарику, к площади поверхности полученного отпечатка шарика F_отп(рис. 23, а )

HB=PI F_отп

По методу Роквелла (рис. 23,в) (ГОСТ 9013-59)в испытуемую поверхность вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик малого диаметра. Число твердости HR обратно пропорционально глубине внедрения алмазного конуса. В зависимости от шкалы прибора введены следующие обозначения чисел твердости: HRA, HRB и HRC. При нагрузках на алмазный конус по шкале С и шкале А проводят измерения просто твердых или очень твердых и тонких материалов. Шкала В предназначена для испытания мягких материалов.

Метод Виккерса (рис. 23,б) (ГОСТ 2999-75) позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых материалов и сплавов. Твердость HV определяется по диагонали отпечатка d₁ от вдавливаемой алмазной пирамиды.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плавления, плотность, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения, электросопротивление и электропроводимость.

Физические свойства сплавов обусловлены их составом и структурой.

К химическим свойствам относятся способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства. Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся литейные свойства, деформируемость (ковкость), свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства определяются способностью расплавленного металла или сплава к заполнению литейной формы, степенью химической неоднородности по сечению полученной отливки, а также величиной усадки — сокращением размеров при кристаллизации и дальнейшем охлаждении.

Деформируемость — это способность принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузке.

Свариваемость — это способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.

Обрабатываемостью называют свойства металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество поверхностного слоя.

Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необходимым требованиям.

К эксплуатационным свойствам в зависимости от условия работы машины или конструкции относят износостойкость, коррозионную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность материала и др.

Износостойкость — способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения. Коррозионная стойкость — сопротивление сплава действию агрессивных кислотных и щелочных сред. Хладостойкость — способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже О °С. Жаропрочность — способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах. Жаростойкость — способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах. Антифрикционность — способность сплава прирабатываться к другому сплаву. Эти свойства определяются в зависимости от условия работы машин или конструкций специальными испытаниями.

При выборе материала для создания технологической конструкции необходимо комплексно учитывать его прочностные, технологические и эксплуатационные характеристики.

СХЕМА ПРЕВРАЩЕНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ИЗДЕЛИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ

studfiles.net

1.2 Механические свойства: пластичность, упругость, прочность,

деформации, твёрдость

Свойства материала сопротивляться механическим воздействиям необходимы всем конструкционным материалам. Сопротивление может вызывать деформации (вмятины, изгибы), которые называют пластическими и, если эти деформации после снятия нагрузки не исчезают, их называют необратимыми или остаточными.

Основной характеристикой деформативных свойств строительного материала является модуль упругости, предельные деформации и ползучесть.

Модуль упругости характеризует меру жёсткости материала и определяется с помощью деформации материала при постепенном нагружении его. Чем выше прочность материала, тем выше модуль упругости и меньше относительные деформации. Деформации происходят вследствие сближения под нагрузкой атомов, что ведёт к изменению размера образца.

Относительная деформация равна отношению абсолютной деформацииℓ к первоначальному линейному размеру ℓ тела:

Модуль упругости Е (МПа) связывает упругую деформацию и одноосное напряжение (нагрузку) отношением:

Упругость твёрдого тела – это способность восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Такую деформацию называют обратимой. Предельные деформации, допускаемые при работе конструкции, у каждого материала свои. Для тяжёлого бетона они составляют при сжатии 0,0015-0,003 м/м, при растяжении – в десять раз меньше. Если допускается их развитие больше этой величины, то появляются микротрещины, что в дальнейшем приводит к разрушению.

Прочность – важное свойство для конструкционных материалов. Оно характеризует способность сопротивляться действиям внутренних напряжений, вызванных внешними силами (нагрузкой, ударом, давлением). Чаще всего конструкции работают на сжатие или на растяжение. Все каменные материалы (естественные или искусственные) хорошо сопротивляются сжатию, хуже – растяжению (в соответствии с предельно допустимыми деформациями), поэтому из них делают конструкции, работающие при сжатии. Из материалов более пластичных, таких как: древесина, сталь, пластики делают конструкции, подвергающиеся и сжатию и растяжению.

Напряжение сжатия или растяжения по величине равно силе, действующей на 1 см² площади сечения (F) материала (σ или R_сж) в кг/см² или МПа:

Для определения прочности каменных строительных материалов изготавливают в соответствии со стандартом опытные образцы определённых размеров: кубики (для определения прочности при сжатии бетонов) с длиной ребра 10, 15, и 20 см; естественный камень испытывают на кернах, выбуренных из плотных пород; прочность при изгибе определяют на призмах, изготавливаемых специально для бетона с размером сечения кубиков длиной 40, 60 или 80 см соответственно.

Кирпич является стандартным образцом, поэтому его испытывают сначала на изгиб, затем половинки, сложенные как кубик, испытывают при сжатии. Сжатие сопровождается поперечным расширением материала, в большей степени ближе к середине образца, т. е. дальше от плит пресса. Между плитами пресса и образцом действуют силы трения, препятствующие расширению материала от сжимающих сил. Поэтому испытывают при сжатии кубики, а не призмы, когда область расширения будет больше, значит, прочность при сжатии будет занижена.

Кубики разных размеров при испытании одного материала тоже дают разный результат. Чтобы можно было объективно оценивать прочность на кубиках разных размеров, существуют масштабные коэффициенты, принятые для размера кубика 15×15×15 см равными единице; для кубика 10×10×10 см – 0,95; для кубика 20×20×20 см – 1,05.

Прочность снижается при намокании материалов, у материалов с меньшей плотностью это особенно заметно, поэтому из них не делают конструкций, работающих во влажной среде. Снижение прочности материала после намокания определяют по коэффициенту размягчения, равному отношению прочности влажного к прочности сухого материала:

Удельная прочность или коэффициент конструктивного качества оценивается для конструктивных материалов по отношению прочности к плотности материала.

Наиболее эффективными считают материалы с высокой прочностью и низкой плотностью:

Так, у бетона М 400 удельная прочность:

у стали:

Теоретическая прочность однородного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих слоёв атомов. Чем ближе и плотнее расположены атомы в материале, тем труднее их разделить, тем больше энергии надо потратить для разрушения материала. В условиях производства строительных материалов из разнородных компонентов при разных режимах и технологиях, с имеющимися дефектами в материале на молекулярном уровне, получить материалы теоретической прочности не представляется возможным. С развитием нанотехнологии, когда становится возможным влиять на плотность упаковки мельчайших частиц, коэффициент конструктивного качества материалов возрастёт.

Твёрдость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твёрдого тела. Твёрдость определяют на приборе – твердомере и сравнивают по шкале Мооса с твёрдостью природных каменных материалов от самого мягкого минерала талька, (принятого за 1), до самого твёрдого минерала алмаза, (принятого за 10). Чем твёрже материал, тем лучше он сопротивляется истиранию. Этому испытанию подвергают материалы, предназначенные для пола, дорожных покрытий, лестничных ступеней.

studfiles.net